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科学家研制出行为仿真的人工神经细胞微芯片

时间：2019-12-05 15:13来源：21Dianyuan

摘要：研究团队称，这种低功耗“片上细胞”（cells-on-a-Chip）装置可用于生物电子设备或植入物，以抵抗影响神经系统的疾病（比如阿尔茨海默病）。

巴斯大学的科学家们，已经开发出了一款小到可以放在指尖的微小硅芯片。其特点是能够实现与人体中存在的生物神经细胞“几乎相同”的功能，为脊髓损伤和心力衰竭等患者提供了新的治疗选择。研究团队称，这种低功耗“片上细胞”（cells-on-a-Chip）装置可用于生物电子设备或植入物，以抵抗影响神经系统的疾病（比如阿尔茨海默病）。

 
（图自：University of Bath，via Cnet）
 
神经细胞（或神经元）遍布在整个大脑和神经系统中，并通过细长臂来迅速发送电信号，从而将信息从大脑传递到身体（并返回）。神经细胞的信号传导活动，涉及将机械 / 化学信号转换为电信号的离子通道。鉴于神经冲动的原理很是深奥复杂，使得研究人员难以搞清楚细胞对某些刺激的反应。

不过巴斯大学物理学家兼研究合著者 Alain Nogaret 在新闻稿中称：“在此之前，神经元都像黑匣子一样。但我们设法打开了黑匣子，并进入到了它的内部”。其工作正在发生范式变化，因其提供了一种可靠的方法，来细微再现真实神经元的电特性。

 
Alain Nogaret 教授（左）与 Kamal Abu Hassan 研究员（右）
 
有关这项研究的细节，已经发表在本周二出版的《自然通讯》期刊上。论文中详细介绍了突破性的技术，可在微型芯片上再现神经元的电特性。研究团队成功复制了大脑中记忆和呼吸所需的单个神经细胞（海马神经元 + 呼吸神经元）。芯片具有许多合成离子通道，后者负责生物细胞中的电脉冲。

通过将之与大鼠海马神经元和脑干神经元中发现的信号进行比较，研究团队让芯片接受了 60 种不同的刺激方案，并对相应状况进行了建模。结果发现，芯片每次都能够重现真实细胞中的响应。需要指出的是，尽管这项研究展现了未来潜在的生物医学植入物的前景，但作者指出，我们仍需考虑神经细胞的其它特征。

该芯片的作用类似于单个细胞，但神经细胞的分支臂（负责在细胞之间传递信号）仍相当复杂。
在后续研究中，团队将尝试在芯片基础上构建一套完整的“生物神经元动力学”模型，同时添加能够描述分支活性特征的部分。
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